Рентгеновская микротомография с использованием увеличивающих рентгенооптических элементов (1104684)
Текст из файла
На правах рукописиБузмаков Алексей ВладимировичРЕНТГЕНОВСКАЯ МИКРОТОМОГРАФИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМУВЕЛИЧИВАЮЩИХ РЕНТГЕНООПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВСпециальности 01.04.07 – «Физика конденсированного состояния»01.04.01 – «Приборы и методы экспериментальной физики»Авторефератдиссертации на соискание ученой степени кандидатафизико-математических наукМосква 2009Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физическогофакультета Московского государственного университета имени М.В. ЛомоносоваНаучные руководители:Доктор физико-математических наукпрофессор Андреев Анатолий ВасильевичДоктор физико-математических наукАсадчиков Виктор ЕвгеньевичОфициальные оппоненты:Доктор физико-математических наукпрофессор Бушуев Владимир АлексеевичДоктор физико-математических наукТкаль Валерий АлексеевичВедущая организация:Государственный технологический университетМосковский институт стали и сплавовЗащита диссертации состоится «07» октября 2009 г.
в ____ часов 30 минутна заседании диссертационного Д 501.002.01 при Московском государственномуниверситете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, Москва,Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория ЮФА.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ имени М.В.
ЛомоносоваАвтореферат разослан «04» сентября 2009 г.Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.002.01кандидат физико-математических наук2Лаптинская Т.В.Актуальностьтемыобусловленанеобходимостьюизучениявнутреннейструктуры объектов, непрозрачных в видимом диапазоне электромагнитного излучения,особенно биологических, с микронным разрешением. Развитие методов рентгеновскоймикроскопии позволило заглянуть внутрь непрозрачных объектов с разрешениемпревышающимвозможностиоптическоймикроскопии.Большинстворентгеномикроскопических исследований выполняется в так называемом диапазонедлин волн 2.2-4.4 нм («водяное окно»), между K-краями поглощения углерода икислорода.
При этом поглощение в воде на порядок меньше чем в биологических(углеродосодержащих) тканях, что и обеспечивает высокий контраст. В диапазоне«водяного окна» достигнуты наибольшие успехи по получению высокого разрешения.Однако, в этом диапазоне глубина проникновения излучения в вещество (например,биологические ткани) не превышает двух десятков микрон, что допускает исследованиятолько очень тонких, специально подготовленных объектов. Для исследованияобъёмных,непланарных,объектовприменяетсяметодикарентгеновскоймикротомографии.
Но описанный выше диапазон длин волн не подходит длятомографических исследований, т.к. обладает малой глубиной проникновения. Болееперспективным для исследования объектов размером 1-10 мм является применениерентгеновского излучения в диапазоне 0.05 – 0.23 нм. Микроскопические исследования вэтом диапазоне ведутся в ряде лабораторий. Рентгеновское излучение такого диапазонавозможно получать при помощи простого и достаточно дешевого источника –рентгеновской трубки.Разрешениесовременныхмикротомографовзачастуюограниченопространственным разрешением детектора и составляет 6-10 мкм. На синхротронныхисточникахчастоиспользуютдетекторы,гдерентгеновскоеизображениеконвертируется в световое, которое затем оптическим путём увеличивается илиуменьшается до размера CCD-матрицы. Это позволяет достичь разрешения порядка1 мкм.
Однако и эффективность таких систем невелика.Другой путь повышения разрешения связан с использованием увеличивающихрентгенооптических элементов. Применяемые на синхротронных станциях зонныепластинки Френеля позволяют достичь субмикронного разрешения. Но дороговизна этихэлементовнепозволяетширокоприменятьихвлабораторныхустановках.Перспективной является разработка более дешёвых и простых в изготовлении3рентгенооптических элементов, позволяющих достигать микронного разрешения, т.к.этого обычно достаточно для изучения биологических объектов.Важнойчастьюпроведениятомографическихисследованийявляетсяматематическая процедура реконструкции.
Разработка и оптимизация алгоритмоввосстановлениярентгеновскогомикротомографическогоизображенияабсолютнонеобходима для повышения качества реконструкции, устранения артефактов и,следовательно, повышения достоверности результатов исследований, что создаётвозможность применения данных результатов широким кругом пользователей. Впоследнее время классические Фурье-методы обработки томографических данных сталиуступатьпозицииболеегибкималгебраическимметодам.Разработкановыхалгебраических методов позволяет использовать методы адаптивной обработкиизображений и учитывать морфологию и априорные данные об объекте.Т.о.
экспериментальные и теоретические работы автора по развитию методоврентгеновской микротомографии в диапазоне 0.05 – 0.23 нм, а так же работы посозданию новых алгоритмов и программ для обработки томографических изображенийявляются весьма актуальными.Цели работы.1. Экспериментальная и теоретическая разработка методов рентгеновскоймикротомографии с использованием увеличивающих рентгенооптических элементов винтервале длин волн 0,05-0,25 нм на лабораторных рентгеновских источниках.2.Создание новых алгоритмов и программного комплекса для обработкиэкспериментальных данных рентгеновской микротомографии.Научная новизна работы.1.Теоретически и экспериментально показано, что два увеличивающихрентгенооптических элемента - преломляющая многоэлементная рентгеновская линза иасимметричные кристаллы-монохроматоры - могут с успехом применяться длямикротомографическихисследованийструктурыорганическихобъектовналабораторных источниках в диапазоне длин волн 0.05-0.23 нм.
Применение этихэлементов позволяет в несколько раз увеличить разрешение метода, доводя его дозначений порядка 1 мкм при разрешении детектора порядка 13 мкм.2.Показано,чтодляисследованияпространственнойструктурыбиологических объектов размером от 0.5 мм до 100 мм, оптимальным с точки зрения4радиационной нагрузки на образец и получаемого абсорбционного рентгеновскогоконтраста является диапазон длин волн 0.05-0.23 нм.
Получена теоретическаязависимость между точностью реконструкции, размером объекта и длиной волнызондирующего излучения.3.Показано, что применение процедуры нелинейной фильтрации междуитерациями алгебраического метода позволяет существенно улучшить качествотомографической реконструкции и уменьшить чувствительность метода к шумамэксперимента.Практическая значимость работы состоит в том, что проведённый комплексисследованийпривёлксозданиюрядарентгеновскихмикротомографовдляисследования биологических объектов на лабораторных установках с полем зрения0.5–100 мм с разрешением 1-150 мкм соответственно. Выполненные на этих приборахисследования структуры шишковидной железы (эпифиза) головного мозга человека внорме и при патологии имеют диагностическое значение, а исследование изменений вструктуре опорно-двигательного аппарата геккона Pachydactylus bibroniпозволилоустановить, что кальциевый обмен этого животного не изменяется в условияхмикрогравитации.На защиту выносятся следующие положения:1.Диапазон длин волн 0.05-0.23 нм является оптимальным для исследованияпространственной структуры биологических объектов размером от 0.5 мм до100 мм.2.Увеличивающие рентгенооптические элементы: многоэлементная преломляющаялинза и асимметрично срезанные отражающие кристаллы позволяют налабораторных рентгеновских микротомографах достичь разрешения ~6 и ~1 мкмсоответственно.3.Создание четырёх рентгеновских микротомографов с полем зрения от 1 до100 мм с разрешением от 1 до 150 мкм.4.Новые алгоритмы и комплекс программ для обработки экспериментальныхданных рентгеновской микротомографии, позволяющие улучшить качествовосстановления внутренней структуры объекта.55.Результаты микротомографического исследования структуры шишковиднойжелезы (эпифиза) головного мозга человекав норме и при патологии.Исследование изменений в структуре опорно-двигательного аппарата гекконаPachydactylus bibroni, побывавшего в условиях микрогравитации.Апробация работы.
Результаты работы докладывались на молодежном конкурсенаучных работ ИК РАН в 2004 году и на 21-ой российской и международнойконференции, среди них: совещание «Рентгеновская оптика», Нижний Новгород, 2004;IX Ежегодный Симпозиум "Нанофизика и наноэлектроника", Нижний Новгород, 2005;научно-техническая конференция “Интеллектуальные системы” AIS’05, Дивноморское2005; Национальная конференция по применению Рентгеновского, Синхротронногоизлучений, Нейтронов и Электронов для исследования материалов (РСНЭ НАНО-2005),Москва, 2005 г.; конференция “Фундаментальные науки - медицине”, Москва, 2006;International Conference on Optical Technologies in Biophysics and Medicine, Saratov, 2006;конференция "Актуальные вопросы морфогенеза в норме и патологии", Москва, 2006;Третиймеждународныйнаучныйсеминар"Современныеметодыанализадифракционных данных", Великий Новгород, 2006; XVI international synchrotron radiationconference, Novosibirsk, 2006; Workshop X-ray micro and nanoprobes: instruments,methodologies and applications, (XNMP-2007), Eriche, Italy, 2007; International Conferenceon Coherent and Nonlinear Optics (ICONO/LAT-2007), Minsk, 2007; 28th AnnualInternational Gravitational Physiology Meeting, San-Antonio, 2007; Conference Nanobio andrelated new and perspective biotechnologies, Pushchino, 2007; 13th International Conferenceon Experimental Mechanics, Greece, 2008; 9th International Conference on X-Ray Microscopy(XRM-08), Zürich, Switzerland, 2008; на Вторая международная молодёжная научнаяшкола–семинар«Современныеметодыанализадифракционныхданных(дифракционные методы для нанотехнологии)», Великий Новгород, 2008 г.Структура и объем диссертации.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
